One of the earliest pathophysiological perturbations in Alzheimer's Disease (AD) may arise from dysfunction of fast-spiking parvalbumin (PV) interneurons (PV-INs). Defining early protein-level (proteomic) alterations in PV-INs can provide key biological and translationally relevant insights. Here, we use cell-type-specific in vivo biotinylation of proteins (CIBOP) coupled with mass spectrometry to obtain native-state proteomes of PV interneurons. PV-INs exhibited proteomic signatures of high metabolic, mitochondrial, and translational activity, with over-representation of causally linked AD genetic risk factors. Analyses of bulk brain proteomes indicated strong correlations between PV-IN proteins with cognitive decline in humans, and with progressive neuropathology in humans and mouse models of Aβ pathology. Furthermore, PV-IN-specific proteomes revealed unique signatures of increased mitochondrial and metabolic proteins, but decreased synaptic and mTOR signaling proteins in response to early Aβ pathology. PV-specific changes were not apparent in whole-brain proteomes. These findings showcase the first native state PV-IN proteomes in mammalian brain, revealing a molecular basis for their unique vulnerabilities in AD.

Complex neurological conditions can give rise to large scale transcriptomic changes that drive disease progression. It is likely that alterations in one or a few transcription factors or cofactors underlie these transcriptomic alterations. Identifying the driving transcription factors/cofactors is a non-trivial problem and a limiting step in the understanding of neurological disorders. Epilepsy has a prevalence of 1% and is the fourth most common neurological disorder. While a number of anti-seizure drugs exist to treat seizures symptomatically, none is curative or preventive. This reflects a lack of understanding of disease progression. We used a novel systems approach to mine transcriptome profiles of rodent and human epileptic brain samples to identify regulators of transcriptional networks in the epileptic brain. We find that Enhancer of Zeste Homolog 2 (EZH2) regulates differentially expressed genes in epilepsy across multiple rodent models of acquired epilepsy. EZH2 undergoes a prolonged upregulation in the epileptic brain. A transient inhibition of EZH2 immediately after seizure induction robustly increases spontaneous seizure burden weeks later. Thus, EZH2 upregulation is a protective response mounted after a seizure. These findings are the first to characterize a role for EZH2 in opposing epileptogenesis and debut a bioinformatic approach to identify nuclear drivers of complex transcriptional changes in disease.Author Summary Epilepsy is the fourth most common neurological disorder and has been described since the time of Hippocrates. Despite this, no treatments exist to stop epilepsy progression. This is fundamentally due to the complex nature of the disease. Epilepsy is associated with hundreds if not thousands of gene expression changes in the brain that are likely driven by a few key master regulators called transcription factors and cofactors. Finding the aberrantly acting factors is a complex problem that currently lacks a satisfactory solution. We used a novel datamining tool to define key master regulators of gene expression changes across multiple epilepsy models and patient samples. We find that a nuclear enzyme, EZH2, regulates a large number of genes in the rodent and patient epileptic brain and that it’s function is protective. Thus, inhibiting EZH2 greatly exacerbates seizure burden. This is the first report of a novel datamining tool to define drivers of large-scale gene changes and is also the first report of EZH2 induction as an endogenous protective response in the epilepsy.

ABSTRACT Microglia are the resident immune cells of the brain and regulate the brain’s inflammatory state. In neurodegenerative diseases, microglia transition from a homeostatic state to a state referred to as disease associated microglia (DAM). DAM express higher levels of proinflammatory signaling, like STAT1 and TLR2, and show transitions in mitochondrial activity toward a more glycolytic response. Inhibition of Kv1.3 decreases the proinflammatory signature of DAM, though how Kv1.3 influences the response is unknown. Our goal was to establish the potential proteins interacting with Kv1.3 during the TLR4-mendiated transition to DAM. We utilized TurboID, a biotin ligase, fused to Kv1.3 to evaluate the potential interacting proteins with Kv1.3 via mass spectrometry in BV-2 microglia during an immune response. Electrophysiology, western blots, and flow cytometry were used to evaluate Kv1.3 channel presence and TurboID biotinylation activity. We hypothesized that Kv1.3 contains domain-specific interactors that vary during an TLR4-induced inflammatory response, some of which are dependent on the PDZ-binding domain on the C-terminus. We determined that the N-terminus of Kv1.3 is responsible for trafficking Kv1.3 to the cell surface and mitochondria ( e.g. NUNDC, TIMM50). The C-terminus interacts with immune signaling proteins in an LPS-induced inflammatory response ( e.g. STAT1, TLR2, and C3). There are 70 proteins that rely on the c-terminal PDZ-binding domain to interact with Kv1.3 ( i.e. ND3, Snx3, and Sun1). Overall, we highlight that the Kv1.3 potassium channel functions beyond outward flux of potassium in an inflammatory context and contributes to activity of key immune signaling proteins, such as STAT1 and C3. MAIN POINTS Kv1.3 channels are highly abundant in pro-inflammatory microglia in neurological diseases. Kv1.3 channels may regulate microglial functions by interacting with other proteins via its N and C terminal domains. Using proximity-based proteomics, we identified several novel proteins that interact with the N and C terminus of Kv1.3 channels, some of which are domain-specific. Kv1.3 channels in microglia interact with many immune signaling proteins, including Tlr2, Stat1 and integrins. Under homeostatic conditions, the N-terminus of Kv1.3 interacts with proteins involved in protein trafficking, to the cell surface and mitochondria. The PDZ-binding region was an important determinant of the C terminal interactome. During an LPS-induced inflammatory response, the C-terminus of Kv1.3 uniquely interacts with immune and signaling proteins of disease relevance, including STAT1

Epilepsy is the 4th most prevalent neurological disorder with over 50 million cases worldwide 1,2 . While a number of drugs exist to suppress seizures, approximately 1/3 of patients remain drug resistant, and no current treatments are disease modifying 3 . Using network and systems-based approaches, we find that the histone methylase EZH2 suppresses epileptogenesis and slows disease progression, via repression of JAK1 and STAT3 signaling in hippocampal neurons. Pharmacological inhibition of JAK1 with the orally available, FDA-approved drug CP690550 (Tofacitinib) 4,5 virtually eliminates behavioral and electrographic seizures after the onset of epilepsy in a preclinical rodent model of acquired epilepsy. Overall, identification of an endogenous protective response to status epilepticus in the form of EZH2 induction has highlighted a critical role for the JAK1 kinase and STAT3 in both the initiation and propagation of epilepsy across preclinical rodent models and human disease. Targeting JAK1 with CP690550 has a profound therapeutic effect on spontaneous, recurrent seizures.